Lasers die leven lijken te hebben
Sommige lasers gedragen zich vreemd. Ze geven geen constante lichtbundel af. In plaats daarvan groeien en krimpen de pulsen steeds opnieuw. Het lijkt alsof het licht ademhaalt.
Wetenschappers noemen dit breather-lasers. Lange tijd wisten ze niet waarom die ademhaling ontstaat. Nog vreemder: er leken twee totaal verschillende soorten te bestaan. De ene ging snel, de andere juist langzaam. Twee verschillende verklaringen leken nodig.
Het probleem met ultrasnelle lasers
Ultrasnelle lasers produceren extreem korte lichtuitbarstingen. Die duren soms maar een biljoenste van een seconde. Ze worden gebruikt bij oogoperaties, medische scans en precisiebewerking.
Binnen in zo’n laser cirkelt het licht rond in een gesloten ruimte. Onder de juiste omstandigheden vormt het licht een stabiele golf die zijn vorm behoudt: een soliton. Meestal blijft die stabiel. Soms echter begint hij te trillen. Hij wordt groter, dan kleiner, en herhaalt dat patroon elke ronde.
Twee ademhalingen, één verklaring
Onderzoekers zagen twee verschillende ademritmes. Bij hoog vermogen ademt de laser snel. Eén cyclus duurt maar een paar rondes. Bij lager vermogen wordt de ademhaling traag. Dan zijn honderden of duizenden rondes nodig voor één cyclus.
Jarenlang dachten fysici dat deze twee vormen los van elkaar stonden. Ze leken verschillende wiskundige regels te volgen. Dat maakte alles ingewikkeld.
Eén model voor alles
Een internationaal team, met onder meer Sonia Boscolo van Aston University, heeft nu laten zien dat beide soorten ademhaling met één wiskundig model te verklaren zijn. Het geheim zit in twee tijdschalen tegelijk.
In de laserholte beweegt het licht razendsnel. Maar de energie die de laser krijgt, verandert langzamer. Door beide processen samen te modelleren, vallen beide ademhalingen op hun plaats. Het ene komt vooral door Q-switching en het natuurlijke hervormen van de soliton. Het andere wordt gestuurd door het Kerr-effect, waardoor licht niet-lineair reageert.
Waarom dit belangrijk is
Stabiele lasers zijn essentieel voor operaties, beeldvorming en productie. Wie begrijmt waarom ze ademen, kan dat gedrag beter beheersen. Dat leidt tot betrouwbaardere en efficiëntere lasers.
Tot voor kort moesten ingenieurs vaak aparte simulaties draaien voor verschillende vermogensniveaus. Nu volstaat één model. Dat scheelt tijd en moeite.
Wat komt er nog?
Nieuwe toepassingen voor ultrasnelle lasers blijven opduiken. Van quantumtechnologie tot geavanceerde materialen. Een beter inzicht in hun gedrag helpt om sneller betere apparaten te ontwikkelen. Het is een klassiek voorbeeld van wetenschap: dingen die eerst apart leken, blijken uiteindelijk deel van één groter geheel.